不连沟综放面护巷煤柱尺寸数值模拟研究

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1、不连沟综放面护巷煤柱尺寸数值模拟研究周保平[1]刘磊磊[2]侯振胜[1][1]大同煤矿集团公司挖金湾煤业公司，山西大同03742[2]蒙泰不连沟煤业公司不连沟煤矿，内蒙鄂尔多斯100071摘要：针对内蒙不连沟煤矿的地质条件进行煤柱尺寸合理优化，采用FLAC软件对不连沟煤矿F6201综放面护巷煤柱尺寸进行数值模拟，通过对不同尺寸煤柱的留巷巷道垂直应力、水平应力、巷道变形和塑性破坏范围进行数值计算及比对分析，得出合理煤柱尺寸，保证工作面安全回采，同时为煤矿节省更多的资源。关键词：综放面煤柱尺寸数值模拟研究0引言综采机械化长壁放顶煤开采方法

2、中煤柱尺寸对工作面正常回采影响较大，尤其是在准格尔煤田的薄基岩厚煤层开采条件下，煤柱尺寸的合理优化就更加重要，当煤柱尺寸不合理时，随着煤层覆盖厚度的加大，矿压显现更为剧烈，留设的煤柱偏帮非常严重，巷道难以维护，对工作面正常回采造成影响[1]。如果仅仅加大煤柱尺寸，虽然能很好的维护巷道，保证工作面安全开采，但是留设的煤柱尺寸过大就浪费了宝贵的资源，也增加了煤层的自然发火的危险性，浪费资源的代价甚至超过巷道维护的费用，得不偿失[2]。本文针对不连沟煤矿的地质条件进行煤柱尺寸合理优化，采用FLAC软件对F6201综放面护巷煤柱尺寸进行数值模

3、拟。不连沟煤矿F6201综放面现留设的煤柱尺寸为20m，为验证20m煤柱的合理性，确定合理煤柱尺寸，分别对留设煤柱5m、10m、15m、17.5m、20m、22.5m、25m、30m、35m时的留巷巷道垂直应力、水平应力、巷道变形和塑性破坏范围进行分析研究保证工作面安全回采的同时，得出合理的煤柱尺寸，为煤矿节省更多的资源。1F6201综放工作面基本情况内蒙不连沟煤矿位于准格尔煤田北部，矿井主采煤层为石炭系上统太原组6#煤层。准格尔煤田煤层埋藏浅，煤层集中于浅部煤系地层。F6201综放工作面东连6#煤回风大巷，北靠总进风巷，西部、南部均

4、是未采区，工作面沿底板布置两顺槽，一进一回。该工作面走向长度765.8米，倾斜长度249.6米。煤层埋深为356.0～397.5m，平均为376.75米。F6201综放工作面回采煤层为6#煤层，倾角0-8°，平均为4°，煤层平均厚度15.24米。机采高度4.0m，放煤高度11.24m，采放比平均约为1:3。煤层产状平缓，煤层倾角0-8 °，平均4 4°，裂隙较发育。6#煤层综合地质情况见图1。图1综合地质柱状图2数值模拟模型及计算分析FLAC3D软件是建立在拉格朗日算法基础上的岩土力学数值计算软件。在采矿工程中，利用FLAC软件可对采

5、矿工程中围岩活动规律、巷道围岩稳定性问题涉及到的岩体力学特性、围岩压力、支护围岩相互作用关系、巷道与工作面的时空关系等复杂的力学问题进行全面研究。该软件主要适用模拟计算地质材料力学行为，特别是材料达到屈服极限后产生的塑性流动[3-4]。2.1模拟模型的建立2.1.1模型边界条件模型四周边界均施加水平位移约束，底边界均施加水平位移及垂直位移约束。而模型的顶边界采用应力边界，应力为上覆岩层重力产生的均布载荷。如图2所示。图2物理模型和边界条件2.1.2模型选择和煤岩物理力学参数确定本模型模型块体的本构关系采用莫尔—库仑模型进行计算[5-6

6、]。由块体和节理的本构关系确定数值计算所需要的属性参数，根据已有的实验室测得数据和类似条件下模拟实验中所取的数值取F6201工作面煤层及覆岩的物理力学参数及煤岩层接触面力学参数，见表1。1煤岩物理力学参数表煤岩名称自然密度kg/m3波速/m/s抗拉强度/MPa抗压强度/MPa坚固系数弹性模量/GPa变形模量/GPa泊松比粘结力/MPa内摩擦角/度顶板石砂岩227525072.5530.33.017.213.90.3415.3228.1底板砂岩互层230936090.5815.21.510.16.10.35煤层127810390.186

7、.30.99～11.080.590.302.2数值模拟对比分析：利用FLAC3D模拟原则及实际情况，经模拟计算可得出F6201综放工作面留设不同尺寸煤柱条件下煤柱本身及上覆岩层的应力分布情况见图3，变形情况见图4。5m煤柱10m煤柱15m煤柱17.5m煤柱20m煤柱22.5m煤柱25m煤柱30m煤柱图3不同尺寸煤柱水平应力分布图5m煤柱10m煤柱15m煤柱17.5m煤柱20m煤柱22.5m煤柱25m煤柱30m煤柱图4不同尺寸煤柱变形分布及变形量图3数值计算结果分析利用FLAC3D模拟原则及实际情况，经模拟计算可得出F6201综放工作面

8、留设不同尺寸煤柱条件下煤柱本身及上覆岩层的应力分布情况、煤柱应力及变形之间的相互变化数值关系，根据计算分析可得综合比对图3~4，得出不同煤柱宽度时煤体的破坏规律：图5不同煤柱尺寸侧向支承压力情况图图6不同煤柱尺寸侧向煤体